Комягин Р.В., Хандамиров В.Л. Исследование антенны с электрическим сканированием лучом (2015) (1095429), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Обработать результаты измерений.7. Сопоставить результаты расчета и эксперимента.8. Составить отчет по выполненной работе.2.2. Лабораторный макетСхема конструкции исследуемой антенны изображена на рис. 2.1.Она представляет собой гибридную линзовую антенну. В раскрывесвернутого H-секториального рупора 1 размещена ФАР, представляющая собой периодическую систему из ферритовых стержней 3. Рупор имеет фазовый корректор 2 с параболической образующей с фокусным расстоянием F = 330 мм. Угол раствора рупора составляетα0 = 40°. К выходу рупора, выполненного в виде волновода сечением 17 × 8 мм, подключена детекторная секция.

Ферритовыестержни управляемой линзы намагничиваются импульсами тока,пропускаемого через проводники 5 системы намагничивания.Магнитопровод каждого из ферритовых стержней замыкается пластиной 4. В линзе установлен 31 ферритовый стержень, причемкрайние пары стержней намагничиваются идентично. Основные39размеры ферритовой линзы: d = 12 мм, t = 4 мм, h = 4 мм, L = 400мм, b = 5 мм.

Диаграмма направленности в Е-плоскости формируетсяс помощью рупора 6.Рис. 2.1. Схема гибридной линзовой антенны:1 — Н-секториальный рупор; 2 — фазовый корректор; 3 — ферритовые стержни;4 — замыкающая пластина; 5 — управляющий проводник; 6 — Е-секториальныйрупор40Проводник намагничивания каждого ферритового стержня разделен на три изолированные части с соотношением их длин 1 : 2 : 4.Тем самым обеспечивается возможность независимого намагничивания соответствующих участков стержня. Каждый участокнамагничивается до насыщения в положительную или отрицательную сторону и создает фазовые сдвиги соответственно 45°,90° и 180°. Таким образом, стержень может иметь 23 = 8 состоянийнамагниченности, каждому из которых соответствует определенное значение набега фазы электромагнитного поля, проходящегочерез этот стержень.

Длина стержней подобрана таким образом, чторазность максимального и минимального значений фазы составляетΔφm = (360·7) / 8 = 315°. В этом случае управляемый набег фазыможно изменять в пределах от 0 до 315° дискретно через 45°. Притакой величине дискрета Δφm характеристики антенны оказываютсясопоставимы с характеристиками при точной установке фазы: коэффициент усиления снижается всего на 0,2 дБ, а среднеквадратическое значение уровня боковых лепестков, определяемого рассеиваемой мощностью, при наличии тридцати одного стержня составляет –25 дБ относительно главного лепестка.Угол отклонения главного максимума диаграммы направленности антенны при пилообразном законе изменения показателяпреломления определяется отношением длины волны к пространственному периоду λ/D.Расстояние между стержнями в линзе определяет уровень боковых лепестков в диаграмме направленности.

Ориентировочноможно считать, что амплитудное распределение поля в раскрывелинзы осциллирует с периодом, равным d. В связи с этим следуетожидать, что при угле θ0 ≥ arcsin (λ/d – 1), так же как и в диаграммеобычной фазированной решетки, появляются главные побочныемаксимумы. В целом же предельный угол отклонения луча определяется требованиями к диаграмме направленности и, преждевсего, по коэффициенту усиления главного максимума. Часто принимают, что максимальный угол отклонения луча соответствуетуменьшению коэффициента усиления G в 2 раза (на 3 дБ) по сравнению с усилением антенны в направлении нормали к раскрывуGm (при θ0 = 0).Для согласования со свободным пространством на выходе антенны установлен Е-секториальный рупор с раскрывом в Е-плоскостиВ = 20 мм.

Раскрыв рупора защищен вставкой из пенопласта.41Непосредственно под рупором закреплен пульт фазирования линзы. Вертикальные ряды тумблеров на пульте соответствуют расположенным над ними ферритовым стержням.Перемагничивание ферритовых стержней производится пропусканием импульсов тока от источника, расположенного за пультом фазирования. Подключение источника осуществляется нажатием кнопки на пульте управления антенной. При включенныхтумблерах, расположенных на пультах управления и фазирования,после пропускания импульсов тока устанавливается начальноезначение фазы φm = 0.2.3. Соотношения, используемые для расчетаэлектрических характеристик антенныПараметры ферритовых стержней антенны таковы, что взаимодействие между ними пренебрежимо мало и их можно рассматривать как неэкранированные фазовращатели, а для расчета фазовых распределений и диаграмм направленности использовать соотношения для фазированных антенных решеток [2].Расчет амплитудно-фазового распределения поляв раскрыве антенныРаспределение амплитуд рассчитывается с учетом структурыполя в возбуждающем волноводе и изменений, вносимых металловоздушной линзой.

Для определения амплитуд поля в областях,примыкающих к ферритовым стержням, следует воспользоватьсясоотношениями (rn )  1  cos ( rn )A(rn )  cos ;2 2 0  r(rn )  arctg  nR f  r 2 R  n  R  R  4 f , (2.1)где  0 — угол раствора рупора; f — фокусное расстояние параболического изгиба; 2R — раскрыв антенны; rn = dn — координатаn-го стержня; d — период решетки стержней; n — номер стержняпри отсчете от центра решетки (n = 0, 1, 2 … 14).42Распределение фаз (при идеальном фазировании в направленииθ0) составит( rn )  krn sin 0 ,(2.2)где k  2  — волновое число; 0 — направление главного лепестка диаграммы направленности.Регулировка фазы осуществляется в диапазоне 0 … 2π, и соответствующее фазовое распределение определяется соотношением ( rn )  ( rn )  2 m , где m = 0, 1, 2 …(2.3)Дискретные значения фазы, устанавливаемые с помощью ферритовых элементов линзы, вычисляют по формуле  ( r )д (rn )  E  n  0,5 , (2.4)где E  x — целая часть x; Δφ — дискрет регулировки фазы.С учетом краевых эффектов принимается φ(r15) = φ(r14) и А(r15) == А(r14).Формулы (2.1) и (2.2) являются приближенными и не учитывают неравномерности в распределении амплитуд и фаз поля в раскрыве, обусловленные взаимодействием ферритовых элементов.Расчет диаграммы направленности антенныв плоскости сканированияРассматривая ферритовые стержни как излучатели с диаграммой направленности вида f ()  cos() , воспользуемся соответствующей формулой для ФАР.Нормированная диаграмма направленности для симметричнойФАР с нечетным числом элементов, размещенных с шагом d, имеет вид A(r ) Ncos   0   A(rn ) cos knd sin   д (rn )n 1 2F    A( r0 ) N  A( rn ) n 1 2.(2.5)43Расчет коэффициента усиления антенны GДля расчета используют соотношениеG    КНД  сg4Scos 0 ,2(2.6)где η — коэффициент полезного действия; ν — коэффициент, учитывающий дискретность регулировки фазы в элементах линзы;c — коэффициент, зависящий от дисперсии фазовых ошибок;g — коэффициент использования поверхности раскрыва антенны;S — площадь раскрыва антенны.С учетом того, что распределение амплитуд вдоль раскрыва вплоскости Н близко к косинусоидальному, а в ортогональномнаправлении — равномерное с фазой, изменяющейся по квадратичному закону, можно принять g ≈ 0,7.

Остальные величины:2       sin 2 ; η = 0,8; S = L·B; Δφ — дискрет регулиров 2   2 ки фазы; с = exp(–αф – αа); αф, αа — дисперсии фазовых и амплитудных ошибок, значения которых с учетом характеристик используемых фазорегулирующих элементов могут быть принятыравными, αф = αа = 0,1.2.4. Порядок расчета характеристик антенны1. Рассчитать по формуле (2.1) значения амплитуд поля Аn вточках раскрыва антенны, лежащих напротив осей ферритовыхстержней линзы.2. Рассчитать для стержней антенны по формуле (2.2) значенияфазовых сдвигов, соответствующие идеальному фазированию антенны при ориентации главного максимума диаграммы в направлениях θ0 = 0, θ0 = θ1 и θ2 (θ1 и θ2 задаются преподавателем). Результаты расчетов занести в табл.

1.Таблица 1φ4401Расчетные значения фазовых сдвигов φ при θ0 = …234567893. Рассчитать по формуле (2.4) значения фазовых сдвигов, соответствующие указанным углам θ0 при регулировке фазы с дискретом Δφ = 45°. Результаты занести в табл. 2 в виде схемы положения тумблеров на пульте фазирования.Таблица 2Δφ0Расчетные значения фазовых сдвигов при θ0 = …(Δφ — положение тумблеров на пульте фазирования)123456789045о90о4. Выполнить расчеты, указанные в п.

3, для случая фазирования с дискретом Δφ = 90°.5. По формуле (2.6) рассчитать значения G, соответствующиеθ0 = θ1 и θ2 и дискрету фазирования Δφ = 45°.6. По формуле (2.5) рассчитать диаграммы направленности антенны, соответствующие θ0 = 0, θ0 = θ1, и θ0 = θ2 при идеальномфазировании и фазировании с дискретом 45°.2.5.

Подготовка лабораторной установки к работеи проведение экспериментаЛабораторная установка состоит из поворотного устройства сустановленной на нем антенной, регистрирующей аппаратуры игенератора, расположенного на расстоянии, соответствующемдальней зоне излучения антенны. Измерение диаграммы направленности осуществляется при вращении антенны вокруг вертикальной оси с регистрацией принимаемых сигналов на ленте самописца или компьютере.Рекомендуется следующий порядок проведения эксперимента.1.

Ознакомившись с правилами техники безопасности, включить тумблерами на пультах управления генератор и приемнуючасть установки.2. Установить все тумблеры на пульте фазирования в положение, соответствующее исходному состоянию, и произвести начальное намагничивание всех секций фазирующих элементов линзы.453. Сориентировать электрическую ось антенны в направлении наисточник и проверить работоспособность стенда.4. Измерить (с регистрацией на ленте самописца или в компьютере) диаграммы направленности антенны в горизонтальнойплоскости, соответствующие θ0 = 0, θ0 = θ1, и θ0 = θ2. Фазированиеосуществить с использованием всех трех дискретных значенийфазового сдвига (π/4, π/2, π).Примечание. На одном листе записываются диаграммы, соответствующие фазированию с использованием одинакового числа дискретных значений фазового сдвига в фазирующих элементах.

Измеренные диаграммы направленности соответствуют зависимостиF 2     E 2 (), поскольку характеристики детекторов квадратичные.2.6. Указания по составлению отчетаВ отчете по лабораторной работе должны содержаться следующие основные данные.1. Наименование лабораторной работы.2. Цель работы.3. Схема исследуемой антенны с указанием всех ее элементовпо ГОСТу [3].4. Результаты расчетов и экспериментов дать в виде графикови заполненной табл.

3, в которой: 2θ0,5 — ширина диаграммынаправленности; Pбл — уровень боковых лепестков; G/Gm — отношение текущего значения коэффициента усиления к максимальному при заданном угле отклонения диаграммы направленности.Таблица 3ДискретрегулировкиВидфазыпараметровРасчетΔφ = π/4 ЭкспериментРасчетΔφ = π/2 Эксперимент462θ0,5Характеристики антенныθ0 = …θ0 = θmaxθ0 = 0PблG/Gm2θ0,5PблG/Gm5. Результаты расчетов диаграммы направленности нанести награфики, полученные экспериментально. На графиках указать (длякаждой из диаграмм) основные параметры: 2θ0,5, уровень боковыхлепестков, рабочую длину волны.6. Результаты сопоставления расчетных и экспериментальныхданных с анализом причин наблюдающихся расхождений.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ1.

Характеристики

Список файлов книги